ทำไมมอเตอร์ไฟฟ้าถึงส่งเสียงบี๊บ?

เสียงหวีดของมอเตอร์ไฟฟ้าเกิดจากการประสานกันของแหล่งกำเนิดทางกายภาพสองประการ: เสียงโทนแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากแรงแม่เหล็กภายในมอเตอร์ และเสียงสวิตช์ชิงความถี่สูงของอินเวอร์เตอร์ โดยมีส่วนประกอบเชิงกลจากชุดเกียร์ลดความเร็วและแบริ่งเข้ามาเสริมอีกด้วย ยิ่งเร่งความเร็ว ระดับเสียงของเสียงหวีดยิ่งสูงขึ้น เพราะเสียงโทนเหล่านี้เลื่อนความถี่ตามสัดส่วนกับรอบมอเตอร์ ผู้ผลิตบรรเทาเสียงนี้ด้วยการสวิตช์ชิงแบบกระจายสเปกตรัม การลดเสียงรบกวนแบบแอ็กทีฟ และการออกแบบเสียง หรือไม่ก็จงใจปรับแต่งให้เป็นเอกลักษณ์

เมื่อคุณสตาร์ทเครื่องยนต์สันดาปภายใน แหล่งที่มาของเสียงไม่มีข้อโต้แย้ง: การระเบิด ท่อไอเสีย และการเคลื่อนที่เชิงกล แต่เมื่อคุณขึ้นไปนั่งในรถไฟฟ้า เสียงรบกวนที่คุ้นเคยส่วนใหญ่จะหายไป และถูกแทนที่ด้วยเสียงหวีดที่แหลมคม เป็นโทนเสียง และพุ่งสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว เสียงนี้มีเอกลักษณ์มากจนหลายคนสันนิษฐานว่ามันเกิดจากตัวมอเตอร์เอง ซึ่งก็ถูกต้องบางส่วน แต่ส่วนที่น่าสนใจที่สุดของเรื่องนี้คือ เสียงจำนวนมากไม่ได้มาจากมอเตอร์ แต่มาจากงานของระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังที่ขับเคลื่อนมอเตอร์ ในมุมมองทางวิศวกรรม เสียงหวีดนี้ที่จริงไม่ใช่สัญญาณของความผิดปกติ แต่เป็นหลักฐานทางหูฟังว่าระบบทำงานถูกต้อง

เสียงหวีดในรถไฟฟ้ามาจากไหน?

ที่มาของเสียงหวีดสรุปได้เป็นสามหัวข้อหลัก ประการแรกคือเสียงรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า: กระแสไฟฟ้าที่เข้าสู่มอเตอร์จะสร้างสนามแม่เหล็กระหว่างโรเตอร์และสเตเตอร์ สนามนี้ทำให้แรงในช่องอากาศแปรผัน และแรงที่แปรผันนี้ทำให้ตัวมอเตอร์สั่นสะเทือน โครงสร้างที่สั่นสะเทือนทุกชิ้นจะแผ่เสียงออกมา ลักษณะของเสียงรบกวนนี้สม่ำเสมอและเป็นโทนเสียง เพราะความถี่ถูกกำหนดโดยตรงจากความถี่ไฟฟ้าที่จ่ายให้และพหุคูณของมัน นั่นคือฮาร์มอนิก

แหล่งกำเนิดที่สองคืออินเวอร์เตอร์ ระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังที่แปลงกระแสตรงจากแบตเตอรี่ให้เป็นกระแสสลับที่เหมาะสมกับมอเตอร์ ทำงานโดยการเปิดปิดทรานซิสเตอร์ด้วยความเร็วสูงมาก การสวิตช์ชิงนี้สร้างเสียงรบกวนที่บริเวณความถี่สวิตช์ชิงและพหุคูณของมัน การวัดแสดงให้เห็นว่าช่วงนี้โดยทั่วไปตรงกับแถบความถี่ 5-15 kHz หูของเราไวต่อเสียงมากที่สุดในช่วงความถี่นี้พอดี ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมเสียงหวีดในรถไฟฟ้าจึงรู้สึกรบคนได้ แม้พลังงานเสียงสัมบูรณ์จะต่ำก็ตาม ความแปรผันของแรงที่เกิดจากการสวิตช์ชิงยังสร้างการสั่นสะเทือนเชิงโครงสร้างอีกด้วย ซึ่งเพิ่มความละเอียดอ่อนที่สัมผัสได้ร่วมไปกับเสียง (ความละเอียดอ่อนนี้ที่จริงยังซึมเข้าสู่ห้องโดยสารด้วย: ผลกระทบของเทคนิค PWM สามแบบที่มีต่อเสียง การสั่นสะเทือน และความกระด้าง วัดได้อย่างชัดเจนแยกกัน)

หัวข้อที่สามคือเสียงรบกวนเชิงกล: ชุดเกียร์ลดความเร็วและแบริ่ง มอเตอร์ของรถ EV หมุนได้ที่รอบสูงมากเพราะสามารถทำรอบได้หลายหมื่นรอบต่อนาที ซึ่งต่างจากเครื่องยนต์สันดาปภายใน ส่วนประกอบเหล่านี้จึงหมุนที่รอบสูงมาก ในชุดขับเคลื่อนแม่เหล็กถาวร แหล่งที่มาของเสียงสั่นทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ไปพร้อมกับความเร็วมักเกิดจากการนำคลื่นสวิตชิ่งของอินเวอร์เตอร์ไปใช้กับมอเตอร์ ในบางชุดขับเคลื่อนจะได้ยินเสียงโทนแม่เหล็กไฟฟ้าลำดับที่ 8 ที่รู้จักกันดี โดยรูปแบบที่เบาถือเป็นเรื่องปกติโดยสิ้นเชิง

ความถี่สวิตชิ่งกำหนดเสียงอย่างไร?

เพื่อทำความเข้าใจลายเซ็นเสียงของอินเวอร์เตอร์ จำเป็นต้องมองไปที่ตรรกะของ PWM หรือการมอดูเลตความกว้างพัลส์ ทรานซิสเตอร์เปิดและปิดด้วยความถี่คงที่ โดยการปรับเวลาที่เปิดค้างไว้ในแต่ละรอบ (duty cycle) จะปรับแรงดันเฉลี่ยที่จ่ายให้มอเตอร์ สิ่งที่ไปถึงหูคุณคือกระบวนการวนซ้ำนี้: เสียงลั่นๆ ที่มีระดับเสียงคงที่และมีลักษณะทางอิเล็กทรอนิกส์ โทนสั้นๆ คงที่ที่ได้ยินก่อนเริ่มออกตัวในรถไฟฟ้าหลายรุ่น นั่นคือเสียงการทำงานปกติของวงจร PWM นั่นเอง แล้วเมื่อรถเร่งความเร็ว โทนเสียงก็จะสูงขึ้น

การเลื่อนระดับเสียงตามรอบเป็นผลลัพธ์เชิงคณิตศาสตร์ ความถี่ไฟฟ้าที่จ่ายให้มอเตอร์เพิ่มขึ้นตามสัดส่วนกับรอบ และแรงแม่เหล็กไฟฟ้าจะสั่นที่ฮาร์มอนิกของความถี่นี้ ลองดูตัวอย่างที่เป็นรูปธรรม: ฮาร์มอนิกลำดับที่ 24 ที่ 4500 rpm สอดคล้องกับ 1800 Hz องค์ประกอบโทนเสียงประเภทนี้สร้างเสียงรบกวนทั้งแบบมีโทนและแบบกว้างจากแรงแม่เหล็กในช่องอากาศ กล่าวคือ การที่ระดับเสียงที่ได้ยินสูงขึ้นเมื่อความเร็วเพิ่มขึ้นไม่ใช่ข้อบกพร่อง แต่เป็นข้อบังคับทางฟิสิกส์

มีความตึงเครียดทางวิศวกรรมระหว่างการรักษาความถี่สวิตชิ่งให้คงที่กับการปล่อยให้แปรผัน ความถี่คงที่ทำให้การกรองสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) คาดการณ์ได้ แต่ทำให้เสียงรบกวนที่มีระดับเสียงสูง มีโทน และรำคาญ ค้างอยู่ที่จุดเดิมตลอดเวลา ส่วนกลยุทธ์ PWM ที่ใช้ความถี่สวิตชิ่งแปรผันถูกใช้เพื่อลดทั้งความสูญเสียการสวิตชิ่งของอินเวอร์เตอร์และเสียงรบกวนของระบบ ดุลยภาพนี้ยังคงเป็นพื้นที่การพัฒนาที่แข็งขัน วิธีการใหม่ที่ควบคุมความถี่สวิตชิ่งของอินเวอร์เตอร์แบบไดนามิกเพื่อปรับปรุงคุณภาพเสียง ได้รับการบันทึกเป็นทะเบียนทางเทคนิคในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา

เฟืองและแบริ่ง: กายวิภาคของการส่งกำลังเชิงกล

ระบบส่งกำลังในรถไฟฟ้ามักเป็นเกียร์ทดรอบขั้นเดียว แต่ในแง่ของเสียงรบกวนก็ไม่ใช่งานที่ไร้บทบาทเลย เสียงรบกวนของเฟืองมีสองกลไกหลัก: ข้อผิดพลาดในการส่งถ่าย และแรงสั่นสะเทือนจากความเสียดทานที่ผิวเฟือง เมื่อฟันเฟืองสัมผัสกัน การสัมผัสระหว่างโลหะกับโลหะรวมกับความเบี่ยงเบนระดับจิ๋วภายใต้ภาระ และแรงสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นจะถูกส่งผ่านจากตัวเครื่องทดรอบเข้าสู่ห้องโดยสาร น้ำมันช่วยปกปิดเสียงที่เกิดจากการสัมผัสนี้ได้บางส่วน จึงไม่น่าแปลกใจที่ในอากาศหนาวความหนืดของน้ำมันเปลี่ยนไปทำให้เสียงได้ยินชัดขึ้นในตอนเช้า

ด้านการออกแบบ อาวุธที่ทรงประสิทธิภาพที่สุดคือเฟืองเกลียว ต่างจากเฟืองฟันตรง เฟืองเกลียวสร้างการสัมผัสแบบไล่ระดับต่อเนื่อง และความนุ่มนวลในการส่งผ่านนี้ช่วยลดเสียงรบกวนได้อย่างชัดเจน หนึ่งในวิธีมาตรฐานในการลดเสียงรบกวนในช่วงเกียร์ของยานพาหนะไฟฟ้า

ส่วนแบริ่งเป็นส่วนหนึ่งของเสียงด้วยเหตุผลสองประการ ในเชิงกล แหล่งที่มาของเสียงหวีดระดับเสียงสูงอาจเป็นแบริ่งมอเตอร์หรือชุดเกียร์ทดรอกก็ได้ การเพิ่มขึ้นของระดับเสียงหรือการเปลี่ยนแปลงของลักษณะเสียงเป็นตัวบ่งชี้เตือนล่วงหน้าที่ดีต่อสุขภาพของแบริ่ง ในเชิงไฟฟ้า การสวิตช์ความถี่สูงในมอเตอร์ที่ขับเคลื่อนด้วยอินเวอร์เตอร์อาจทำให้เกิดความเสียหายทางไฟฟ้าต่อรางแบริ่ง - กล่าวคือส่วนประกอบเหล่านี้เป็นทั้งแหล่งที่มาของเสียงและเป็นหัวข้อของเรื่องราวที่เสียงบอกเล่า เสียงครางลักษณะเฉพาะที่มอเตอร์ภายใต้ภาระส่งเสียงออกมาไม่ว่าภาระจะเป็นเท่าใดก็ตาม ยังรวมอยู่ในส่วนที่เป็นกลเครื่องกลนี้ด้วย ในขณะที่เสียงรบกวนของพัดลมระบายความร้อนขึ้นอยู่กับความเร็วรอบมอเตอร์แต่เป็นอิสระจากภาระ

ประเภทของมอเตอร์เปลี่ยนลักษณะเสียงหรือไม่?

คำตอบสั้น ๆ: ใช่ ในระดับที่วัดได้ สนามแม่เหล็กโรเตอร์ของมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรถูกสร้างไว้แล้วโดยขึ้นอยู่กับแม่เหล็ก ไม่ใช่ค่าความเหนี่ยวนำสเตเตอร์ ซึ่งให้ประสิทธิภาพและความหนาแน่นของแรงบิดที่สูงกว่า เนื่องจากมอเตอร์เหล่านี้สามารถสร้างแรงบิดคงที่ได้โดยไม่มีการแกว่งในวงจรแรงบิด จึงสามารถออกแบบให้เงียบมากและมีการสั่นสะเทือนต่ำได้ ในทางกลับกัน มอเตอร์แม่เหล็กถาวรจำเป็นต้องทำงานร่วมกับอินเวอร์เตอร์ - กล่าวคือเสียงจากการสวิตช์มีอยู่ในวงจรเสมอ ในมอเตอร์เหล่านี้ สาเหตุหลักสองประการของการสั่นสะเทือนและเสียงรบกวนคือปัจจัยทางอิเล็กทรอนิกส์และกลไก การจับคู่ระหว่างจำนวนขั้วโรเตอร์กับจำนวนร่องสเตเตอร์คือจุดโฟกัสของงานวิจัย NVH

ส่วนมอเตอร์อะซิงโครนัสสร้างสนามแม่เหล็กโรเตอร์โดยการเหนี่ยวนำ โดยทั่วไปจะมีขนาดใหญ่กว่า หนักกว่า และประสิทธิภาพต่ำกว่า แต่มีต้นทุนต่ำ ลักษณะเสียงของมอเตอร์เหล่านี้ก็แตกต่างกันไปตามลักษณะดังกล่าว: องค์ประกอบเพิ่มเติมที่ขึ้นอยู่กับความถี่สลิปสามารถได้ยินได้ ผลของการออกแบบมอเตอร์ต่อเสียงไม่ได้จำกัดอยู่เพียงประเภทของมอเตอร์เท่านั้น พารามิเตอร์การออกแบบ เช่น ความเอียงของโรเตอร์ การทำร่องของสเตเตอร์และโรเตอร์ และความกว้างของช่องเปิดร่อง กำหนดรูปร่างของคลื่นแรงในช่องอากาศโดยตรง และถูกจัดเป็นวิธีคลาสสิกในการลดเสียงรบกวน

Spread spectrum: เทคนิคที่ทำลายเสียงให้กระจาย

หนึ่งในวิธีแก้ปัญหาที่สง่างามที่สุดสำหรับเสียงรบกวนแบบโทนที่เกิดจากการสวิตช์ คือเทคนิคการสวิตช์แบบกระจายสเปกตรัม ซึ่งมีพื้นฐานทางทฤษฎีย้อนกลับไปถึงปี 1992 ตรรกะนั้นง่าย: คุณปรับความถี่การสวิตช์ของอินเวอร์เตอร์อย่างตั้งใจภายในแถบเล็ก ๆ หนึ่งแถบ ด้วยวิธีนี้ พลังงานเสียงรบกวนที่รวมตัวอยู่ที่ความถี่คงที่จะกระจายไปยังสเปกตรัมที่กว้างขึ้น และพลังงานสูงสุดที่ความถี่ใดความถี่หนึ่งก็ลดลง หูของเรารับรู้เสียงโทนที่มีแถบความถี่แคบว่ารบกวนจิตใจมากกว่า ขณะที่เสียงหม่นเบา ๆ ที่มีแถบความถี่กว้างสามารถยอมรับได้อย่างง่ายดาย เทคนิคนี้ได้รับการพิสูจน์แล้วในการลด EMI ในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์ สามารถกำจัดเสียงรบกวนที่ได้ยินได้ที่เอาต์พุตและลดลงอย่างมากที่อินพุต

ตำแหน่งของเทคนิคนี้ในโลก EV กำลังเติบโตขึ้น แรงดันไฟฟ้าสูงและจำนวนชิปที่หนาแน่นในยานพาหนะไฟฟ้าทำให้ระบบมีความอ่อนไหวเป็นพิเศษต่อการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า เทคโนโลยีเซนเซอร์อัจฉริยะสำหรับตรวจจับความไวนี้และลดทอนมันก็ได้รับการพัฒนาขึ้นแล้วเช่นกัน วิธีการควบคุมคุณภาพเสียงที่ควบคุมความถี่สวิตช์ไดนามิกนั้น เป็นส่วนขยายของปรัชญาเดียวกันกับ spread spectrum: แทนที่จะเป็นเสียงโทนคงที่ที่คาดเดาได้ ก็เป็นสัญญาณรบกวนที่กระจายไปทั่วสเปกตรัมหรือถูกวางตำแหน่งแบบไดนามิก

การป้องกันเสียงรบกวนแบบแอคทีฟและการออกแบบเสียงอย่างมีเจตนา

ยังมีเทคโนโลยีที่พยายามกำจัดเสียงออกไปทั้งหมดอีกด้วย หลักการของการป้องกันเสียงรบกวนแบบแอคทีฟเป็นเรื่องคลาสสิก: สร้างคลื่นเสียงที่มีแอมพลิจูดเท่ากันแต่อยู่ในเฟสตรงข้ามกับแหล่งกำเนิดเสียงรบกวน และคลื่นทั้งสองจะทำลายกันและกัน ในยานยนต์ไฟฟ้า บทบาทของแนวทางนี้แตกต่างจากในยานยนต์เครื่องยนต์สันดาปภายใน เสียงรบกวนของเครื่องยนต์แบบคลาสสิกไม่มีอยู่แล้ว พลังงานเสียงของเสียงรบกวนความถี่สูงจากมอเตอร์ไฟฟ้าค่อนข้างต่ำ ด้วยเหตุนี้ ระบบสมัยใหม่จึงคอยติดตามเสียงรบกวนจากถนน ลม และยางที่เข้าสู่ห้องโดยสารอย่างต่อเนื่อง และสร้างคลื่นต้านขึ้น ผู้ผลิตหลายรายนำเสนอโซลูชันแบบแพ็กเกจในด้านนี้ ในบางรุ่น การออกแบบเสียงแบบแอคทีฟไม่เพียงแต่กดเสียงรบกวน แต่ยังเพิ่มลักษณะเสียงที่มีเจตนาให้กับห้องโดยสารอีกด้วย

แล้วเสียงด้านนอกล่ะ? เนื่องจากเสียงรบกวนของมอเตอร์ไฟฟ้าต่ำ ผู้คนเดินเท้าจึงอาจไม่ได้ยินการมีอยู่ของยานพาหนะที่ความเร็วต่ำ ด้วยเหตุนี้ เสียงเตือนเทียมที่ออกแบบมาเพื่อแจ้งการมีอยู่ของยานยนต์ไฮบริดและไฟฟ้าแก่ผู้เดินเท้า - AVAS - จึงกลายเป็นมาตรฐาน: เสียง hovering ที่คล้ายกับการเคลื่อนไหวของอากาศ ซึ่งสร้างขึ้นด้วยลำโพงที่ความเร็วต่ำ สหภาพยุโรปอ้างอิงถึงมติที่บังคับใช้เสียงเหล่านี้ในปี 2014; ในสหรัฐอเมริกา เสียงเทียมก็เป็นข้อบังคับเช่นกันเมื่อความเร็วต่ำกว่าระดับหนึ่ง การออกแบบเสียงกำลังพัฒนาในฐานะศาสตร์ที่นำข้อบังคับด้านความปลอดภัยนี้มาบรรจบกับประสบการณ์ของผู้ใช้ - และนี่คือจุดที่ทุกแบรนด์พบโอกาสในการสร้างลายเซ็นทางเสียงของตนเอง

เมื่อไรที่เสียงหวีดเป็นเรื่องปกติ และเมื่อไรที่เป็นปัญหา?

กฎคร่าว ๆ ก็คือ: เสียงหวีดที่ไล่ตามความเร็ว สม่ำเสมอ และมีโทนเสียง เป็นเรื่องปกติ โทนเสียงที่สูงขึ้นเมื่อเร่งความเร็วเป็นการเลื่อนความถี่ตามธรรมชาติของฮาร์มอนิกแม่เหล็กไฟฟ้า เสียง อื้อ อึ้ง ที่มีระดับเสียงคงที่เป็นเสียงการทำงานของอินเวอร์เตอร์ ส่วนสถานการณ์ต่อไปนี้คือสิ่งที่ควรค่าแก่การฟัง:

• หากเสียงหวีดเพิ่งเกิดขึ้นใหม่ หรือสูงขึ้นอย่างชัดเจนเมื่อเทียบกับก่อนหน้านี้
• หากเสียงมาพร้อมกับการสั่นสะเทือนหรือการสูญเสียกำลัง
• หากลักษณะของเสียงเปลี่ยนแปลงอย่างไม่คาดคิดตามความเร็วและภาระ

อาการเหล่านี้บ่งชี้ถึงด้านกลไก - โดยเฉพาะแบริ่งและชุดเกียร์ทดรอบ ระดับเสียงรบกวนเป็นวิธีที่ใช้งานได้จริงและไม่มีค่าใช้จ่ายในการติดตามสุขภาพของแบริ่ง เมื่อเสียงเปลี่ยนไป การตรวจสอบจะช่วยให้มีโอกาสเข้าแก้ไขก่อนที่ความเสียหายจะลุกลาม

การเด่นของมอเตอร์ไม่ใช่ข้อบกพร่อง แต่เป็นพื้นที่แห่งการออกแบบ

การเด่นของมอเตอร์ไฟฟ้าไม่ใช่ความผิดพลาดของชิ้นส่วนใดชิ้นส่วนหนึ่งเพียงอย่างเดียว แต่คือการซ้อนทับกันของผลจากแรงแม่เหล็กไฟฟ้า การสวิตช์ของอินเวอร์เตอร์ เกียร์ และแบริ่ง ทุกความก้าวหน้าทางวิศวกรรม - spread spectrum ความถี่สวิตช์แบบปรับเปลี่ยนได้ เกียร์เกลียว และระบบลดเสียงรบกวนแบบแอกทีฟ - ช่วยลดแรงกดดันของเสียงนี้ภายในห้องโดยสาร หรือไม่ก็จัดรูปแบบมันขึ้นโดยเจตนา ครั้งต่อไปที่คุณเร่งความเร็วในรถยนต์ไฟฟ้าและฟังโทนเสียงที่ได้ยิน คุณจะรู้แล้วว่าคุณได้ยินอะไร: ไม่ใช่เสียงมอเตอร์ แต่คือลายเซ็นทางการได้ยินของระบบทั้งหมด

แหล่งอ้างอิง

• EV Motor Noise, Whine & Overheating: Causes & Fixes
• NVH Electric Vehicles
• Vibration and noise characteristics of an inverter for electric vehicle application
• New Inverter Switching Control Method to Enhance Sound Quality in Electric Vehicles
• Inverter Acoustic Noise: PWM Strategy, Magnetostriction and Cabin Perception in EVs
• Understanding the Operating Noise of Electric Motors
• Noise in Electric Motors: A Comprehensive Review
• Tackling EV noise reduction
• Noise Reduction Techniques for EV Transmissions
• Low noise modulation technique for PWM inverter drives
• The pros and cons of spread-spectrum implementation
• Researchers Develop Technology To Protect EVs from Chip Noise
• Active Sound Management
• What Is Active Sound Design On The EV6 & EV9
• Vehicle Electrification and Active Noise Cancellation
• Electric vehicle warning sounds
• Induction vs. Permanent Magnet Motors
• What Does Noise Tell You About Your Electric Motor?